Трансформаторы и их применение
Трансформаторы: от основ до применения
В данном учебном пособии рассматриваются трансформаторы – статические устройства, преобразующие переменное напряжение, сохраняя при этом частоту. Пособие ориентировано на студентов неэлектрических специальностей, изучающих электротехнику, и ставит целью формирование системного инженерного мышления в области выбора, назначения и эксплуатации трансформаторов.
Общие сведения и однофазные трансформаторы
Введение начинается с общих сведений о трансформаторах, их роли в различных сферах деятельности и классификации по назначению и числу фаз. Основное внимание уделяется однофазным трансформаторам, их устройству, принципу действия и электрическим характеристикам. Подробно описываются основные компоненты трансформатора: замкнутый магнитопровод (сердечник) и обмотки. Рассматриваются различные конструкции магнитопроводов (стержневая, броневая, тороидальная), материалы для их изготовления и методы охлаждения (естественное, воздушное, масляное).
Принцип действия однофазного трансформатора объясняется на основе закона электромагнитной индукции. Вводятся понятия коэффициента трансформации, режимов холостого хода и короткого замыкания. Анализируются потери в трансформаторе (гистерезис, вихревые токи, потери в меди) и методы их уменьшения. Рассматривается внешняя характеристика трансформатора, показывающая зависимость вторичного напряжения от тока нагрузки, и коэффициент полезного действия (КПД), как отношение отдаваемой мощности к потребляемой. Приводятся методы определения КПД, включая метод непосредственных измерений и косвенный метод, основанный на раздельном определении потерь.
Трехфазные и специальные трансформаторы
Далее рассматриваются трехфазные трансформаторы, их устройство, способы соединения обмоток (звезда, треугольник) и влияние этих соединений на коэффициент трансформации. Отдельное внимание уделяется автотрансформаторам, их устройству, принципу работы, преимуществам и недостаткам, а также областям применения.
В пособии также рассматриваются измерительные трансформаторы, предназначенные для расширения пределов измерений и обеспечения безопасности. Подробно описываются трансформаторы напряжения и тока, их схемы включения, принципы работы и особенности применения.
Завершается пособие рассмотрением сварочных трансформаторов, их специфических требований, связанных с режимом работы и необходимостью обеспечения стабильности сварочного процесса. Описываются различные типы сварочных трансформаторов, их внешние характеристики, принцип действия, конструктивные особенности и способы регулирования сварочного тока. Рассматриваются тиристорные сварочные аппараты и сварочные инверторы, их преимущества и недостатки.
Расчет выпрямителя с трансформатором
В заключительной части пособия представлена методика расчета выпрямителя с трансформатором, предназначенная для трансформаторов мощностью до 1000 Вт. Рассматривается однофазный двухполупериодный выпрямитель, порядок выполнения расчета, выбор полупроводниковых вентилей, расчет габаритной мощности трансформатора, выбор электромагнитных нагрузок, выбор конструктивного исполнения магнитопровода, расчет обмоток трансформатора и размещение обмоток в окне магнитопровода.
- ВО - Бакалавриат
- 08.03.01: Строительство
- 23.03.02: Наземные транспортно-технологические комплексы
- ВО - Магистратура
- 08.04.01: Строительство
- 23.04.02: Наземные транспортно-технологические комплексы
- ВО - Специалитет
- 23.05.01: Наземные транспортно-технологические средства
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Томский государственный архитектурно-строительный университет» Э.С. Астапенко, Р.Н. Кахиев, Д.П. Столяров ТРАНСФОРМАТОРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ Учебное пособие Томск Издательство ТГАСУ 2023
УДК 621.314.21(075.8) ББК 31.261.8-04 А91 Астапенко, Э.С. Трансформаторы и их применение : учебное пособие / Э.С. Астапенко, Р.Н. Кахиев, Д.П. Столяров. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2023. – 62 с. – Текст : электронный. ISBN 978-5-6049515-4-5 Учебное пособие знакомит с устройством, принципом действия и особенностями применения однофазных и трехфазных трансформаторов, их электрическими характеристиками. Кроме того, рассмотрены автотрансформаторы, измерительные и сварочные трансформаторы. Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки «Строительство» и «Наземные транспортно-технологические комплексы», учебные планы которых содержат дисциплины «Электротехника с основами электроснабжения», «Электрооборудование ПТСДМиО». Пособие по дисциплине «Трансформаторы и их применение» предназначено для студентов всех форм обучения. УДК 621.314.21(075.8) ББК 31.261.8-04 Рецензенты: Д.Ю. Орлов, канд. техн. наук, доцент кафедры прикладной механики и материаловедения ФГБОУ ВО ТГАСУ; П.Р. Баранов, канд. техн. наук, доцент, ОЭЭ ИШЭ ФГАОУ ВО НИИ ТПУ. ISBN 978-5-6049515-4-5 © Томский государственный архитектурно-строительный университет, 2023 © Астапенко Э.С., Кахиев Р.Н., Столяров Д.П., 2023 А91
ВВЕДЕНИЕ В строительстве, на предприятиях по обслуживанию и ре монту технологического оборудования и других сферах хозяйственной деятельности используются электротехнические устройства с разным напряжением питания. Устройством, позволяющим получить требуемую величину переменного напряжения, является трансформатор. Данное учебное пособие разработано с целью формирова ния у обучающихся системного инженерного мышления, позволяющего разобраться в устройстве и принципе работы трансформатора. Задачи учебного пособия: – сформировать у обучающихся комплекс знаний в области выбора, назначения и эксплуатации трансформаторов; – дать обучающимся информацию об однофазных, трехфаз ных и специальных трансформаторах; – научить методике расчета выпрямителя с трансформато ром мощностью до 1000 Вт. Пособие является дополнением к изданиям по электротех нике и предназначено для студентов неэлектрических специальностей, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров и специалистов «Строительство» и «Наземные транспортно-технологические комплексы», учебные планы которых содержат дисциплины «Электротехника с основами электроснабжения», «Электрооборудование ПТСДМиО». Учебное пособие состоит из введения, семи разделов и за ключения, снабжено справочным материалом, содержит библиографический список и список иллюстраций с указанием их источников. Материалы из библиографического списка рекомендуются студентам для самостоятельного изучения.
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТРАНСФОРМАТОРАХ Трансформатор электрический – это статическое (не имею щее подвижных частей) устройство для преобразования переменного напряжения по величине с сохранением той же частоты. Увеличение напряжения осуществляется с помощью повышающих трансформаторов, а уменьшение – понижающих. Трансформатор впервые был использован в 1876 г. П.Н. Яб лочковым в цепях электрического освещения. В 1890 г. М.О. Доливо-Добровольский разработал трехфазный трансформатор. Дальнейшее развитие трансформаторов заключалось в совершенствовании их конструкции, увеличении мощности и КПД, улучшении изоляции обмоток. Трансформаторы применяются в линиях электропередач, в технике связи, в автоматике, измерительной и бытовой технике и других областях. В соответствии с назначением различают силовые транс форматоры для питания электрических двигателей и осветительных сетей; специальные трансформаторы для питания сварочных аппаратов, электропечей и других потребителей особого назначения; измерительные трансформаторы для подключения измерительных приборов [1]. По числу фаз трансформаторы делятся на однофазные и трехфазные. Мощности трансформаторов различны – от долей вольт-ам пер до десятков мегавольт-ампер; рабочие частоты – от десятков герц до сотен килогерц.
2. ОДНОФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР Однофазный трансформатор состоит из двух основных ча стей: замкнутого магнитопровода (сердечника), на котором расположены две или несколько обмоток. Для уменьшения потерь на гистерезис при перемагничива нии магнитопровод изготавливают из магнитомягкого материала – электротехнической стали, имеющей узкую петлю намагничивания. Для уменьшения потерь на вихревые токи (токи Фуко) в материал магнитопровода вводят примесь кремния, повышающую его электрическое сопротивление, а сам магнитопровод собирают из отдельных листов электротехнической стали толщиной 0,35–0,5 мм, изолированных друг от друга теплостойким лаком или оксидной пленкой [1]. 2.1. Устройство однофазного трансформатора Простейший однофазный трансформатор состоит из сталь ного сердечника и двух обмоток. Магнитопроводы могут иметь различную конструкцию: стержневую, броневую и тороидальную (рис. 2.1). Магнитопроводы верхнего ряда собираются из листового материала, а магнитопроводы нижнего ряда навиваются из ленты электротехнической стали, которая также имеет изолирующее покрытие. Магнитопровод броневой конструкции хорошо защищает обмотки катушек от механических повреждений. Верхнюю часть магнитопровода называют ярмом, а части, на которые насажены катушки, называются стержнями. Стержни и ярмо соединяют очень плотно, с перекрытием, чтобы исключить воздушные зазоры на стыках. В маломощных трансформаторах находят применение кольцевые магнитопроводы, которые обычно навивают из длин
ной ленты. В кольцевых магнитопроводах отсутствуют воздушные зазоры, поэтому магнитный поток рассеяния мал, и трансформатор имеет высокий КПД. Рис. 2.1. Конструкции магнитопроводов однофазных трансформаторов На рис. 2.2–2.4 представлен внешний вид трансформаторов с магнитопроводами перечисленных конструкций. Обмотки трансформаторов изготавливают из медного, изо лированного лаком, провода и располагают на одном или на разных стержнях, рядом или одну под другой. В последнем случае непосредственно к стержню примыкает обмотка низшего напряжения, а поверх нее размещается обмотка высшего напряжения.
Рис. 2.2. Трансформатор стержневой Рис. 2.3. Трансформатор броневой
Похожие